淺談柴油機技術發(fā)展及關鍵零部件

褚濤 萬光前 林騰

摘要：本文主要介紹柴油機技術發(fā)展史，詳細介紹柴油機技術發(fā)展過程中相關零部件的結構特點及機理，并對未來柴油機技術發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：柴油機;電控;技術;零部件

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0036-02

0? 引言

100多年前，魯道夫·狄塞爾（Rudolf Diesel）為解決蒸汽機及點燃式內燃機熱效率低的問題，發(fā)明了世界首臺壓燃式內燃機。在隨后的柴油機發(fā)展歷程中，有四次技術突破使柴油機飛速發(fā)展：機械式燃油系統(tǒng)、增壓中冷技術、電控噴油技術、尾氣后處理技術。

1? 機械式燃油系統(tǒng)

機械式燃油系統(tǒng)依靠柱塞、齒輪、凸輪軸、彈簧等機械元件，實現發(fā)動機燃油供給及噴射?？梢园凑瞻l(fā)動機的工作順序、負荷大小，定時、定量、定壓地向發(fā)動機噴射高壓柴油。機械式燃油系統(tǒng)的核心部件是燃油泵，常見的機械式燃油系統(tǒng)有柱塞泵系統(tǒng)、PT泵系統(tǒng)。

1.1 柱塞泵系統(tǒng)介紹

柱塞泵燃油系統(tǒng)是常見的一種機械式燃油系統(tǒng)，其中柱塞泵集成輸油泵、噴油泵及調速器，產生高壓油，限制、穩(wěn)定轉速，而與之配套使用的噴油器只有燃油噴射作用。柱塞泵燃油系統(tǒng)如圖1所示。

柱塞泵總成是這套燃油系統(tǒng)的核心部件，其結構如圖2所示。噴油泵總成油若干個分泵組成，分泵數量與發(fā)動機缸數相等;驅動凸輪軸控制各分泵的噴油次序;柱塞偶件有效行程控制循環(huán)噴油量;油量調節(jié)機構（齒條或撥叉）控制柱塞偶件有效行程;出油閥組件控制噴油壓力和噴油停止時間。

1.2 PT泵系統(tǒng)介紹

PT泵燃油系統(tǒng)是康明斯的專利技術，應用廣泛的NT855系列柴油機就采用這種燃油系統(tǒng)，其中PT分別為英文壓力和時間的首字母。PT泵集成輸油泵及調速器，可限制、穩(wěn)定轉速但不產生高壓油;噴油器具有燃油加壓和燃油噴射所用。PT泵燃油系統(tǒng)如圖3所示。

PT泵總成及PT噴油器是這套燃油系統(tǒng)的核心部件，其外形及內部結構如圖4所示。PT泵集成調速器，可控制發(fā)動機高低怠速;PT泵確定燃油流量，并向噴油器輸送低壓燃油;噴油器通過凸輪軸驅動產生高壓燃油并噴射;噴油器凸輪軸確定各缸噴油次序及噴油量。

2? 電控燃油系統(tǒng)

電控燃油系統(tǒng)，通過ECM、傳感器及執(zhí)行器實現柴油機運行信息采集、運算及合理執(zhí)行，完全可以滿足“高噴射壓力、噴油規(guī)律可控”的需求。電控燃油系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：

①高噴油壓力：普遍在150MPa以上，最高可達240MPa，而機械式燃油系統(tǒng)的噴油壓力在120MPa左右的水平。

②速度特性好：噴油壓力、噴油正時獨立于發(fā)動機轉速，可以改善發(fā)動機低速性能。

③噴油控制精確：電磁閥控制噴油開始結束時間，更精確;ECM計算噴油量，燃油系統(tǒng)速度特性、規(guī)律性更好。

目前，已成熟應用的電控燃油系統(tǒng)有：電控高壓共軌系統(tǒng)、電控泵噴嘴系統(tǒng)、電控單體泵系統(tǒng)。

2.1 電控高壓共軌系統(tǒng)

電控高壓共軌系統(tǒng)（CRS-Common Rail System）是一種蓄壓器噴射系統(tǒng)，ECM通過接收各傳感器的信號，計算分析后控制噴油器電磁閥，讓柴油以正確的噴油壓力在正確的時間噴射出正確的噴油量。其主要由燃油泵、共軌管、噴油器構成，結構如圖5所示。

2.2 電控泵噴嘴系統(tǒng)

電控泵噴嘴系統(tǒng)（UIS-Unit Injector System）中噴油泵和噴油器組成一個單元，發(fā)動機的每一氣缸都安裝這樣一個單元。它直接通過搖臂驅動或者通過搖臂加推桿驅動，產生高的噴射壓力，在結構上省去了高壓油管，更簡潔。其主要由燃油泵和泵噴嘴構成，結構如圖6所示。

2.3 電控單體泵系統(tǒng)

電控單體泵系統(tǒng)（UPS-Unit Pump System）是一種模塊式結構的高壓噴射系統(tǒng)。其噴嘴和油泵用一根較短的噴射油管連接，每個缸都設置有一個單柱塞噴油泵，由凸輪軸驅動。各單體泵安裝在泵總成殼體內。其結構如圖7所示。

3? 尾氣后處理技術

在嚴苛的法規(guī)下，單純依靠電控燃油系統(tǒng)與增壓中冷技術已經無法滿足排放法規(guī)要求，柴油機尾氣后處理技術順勢而生且快速成熟。目前成熟且常用的尾氣后處理技術有：DOC、DPF、SCR，柴油機生產廠家根據柴油機排量、功率段等參數選擇一種或幾種尾氣后處理技術進行應用。

①DOC是氧化還原（DOC=Diesel Oxidation Catalyst）的英文簡稱，要是通過催化劑的氧化反應除去微粒物中的可揮發(fā)有機物（SOF），減少PM排放，同時可除去尾氣中的HC、CO污染物和醛類、多環(huán)芳烴等排放標準未限制污染物。②DPF是柴油機微粒捕集器（DPF-Diesel Particulate Filter）的英文簡稱，主要用來捕集排氣污染物中的PM，降低PN值。其主要的捕集材質為陶瓷纖維、泡沫陶瓷等。③SCR是選擇性還原技術（SCR-Selective Catalyst Reduction）的英文簡稱，通過向廢氣中噴射一定濃度的尿素溶液，來還原尾氣中的NOX。

4? 未來展望

盡管目前最先進的排放控制技術已經將柴油機尾氣處理的非常清潔，但技術的進步是永無止境的。未來的柴油機排放控制重點應該是：進一步降低PN值，同時降低總的碳排放量。為滿足未來更嚴格的排放要求，柴油機會迎來一次新的技術飛躍，采用混合動力等手段使柴油機更節(jié)能、更“綠色”。在未來相當長的一段時間內，柴油機會以一種“集成式動力單元”的形式繼續(xù)存在。

參考文獻：

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